Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche
Berichte – FZKA 7098
Turbulent
thermal mixing of a heavy liquid metal flow in a target
window geometry- The Heated Jet Experiment
Markus
Daubner, Abdalla Batta, Frank Fellmoser, Cord-Henrich Lefhalm, Robert Stieglitz
Abstract
The MEGAPIE target to be installed at the Paul-Scherrer
Institute in Switzerland is a prominent example of a window spallation target
using liquid lead-bismuth both as coolant and neutron source. An adequate
cooling of the target to maintain the temperatures in the structure within
acceptable limits requires a conditioning of the flow. In MEGAPIE this is
realized by a main flow transported downwards, u-turned at the proton beam
facing the hemispherical shell into a cylindrical riser tube. In order to avoid
a stagnation point close to the lowest part of the shell a jet flow is directed
along the shell, which is superimposed on the main flow.
The heated jet experiment conducted in the THEADES loop of
the KALLA laboratory is nearly 1:1 representation of the lower part of the
MEGAPIE target and is aimed to study the cooling capability of the specific
geometry in dependence on the flow rate ratio (Qmain/Qjet)
of main to jet flow. In this out-of pile experiment a heated jet is injected
into a cold main flow at MEGAPIE relevant flow rate ratios. The resulting
temperatures and their fluctuations are recorded in the densly instrumented
lower shell region. The liquid metal experiment is accompanied by a water
experiment in almost the same geometry to study the momentum field and a
three-dimensional turbulent numerical fluid dynamic simulation (CFD).
Besides a detailed study of the envisaged nominal operation
of the MEGAPIE target with Qmain/Qjet=15 deviations from
this mode are investigated in the range from 7.5≤Qmain/Qjet
≤22.5 in order to give an estimate on the safe operational threshold of
the MEGAPIE target.
The liquid metal experiment shows that, the flow pattern
establishing in this specific design and the turbulence intensity distribution
essentially depends on the flow rate ratio (Qmain/Qjet)
between main flow and bypass flow. All flow rate ratios investigated exhibit an
unstable time dependent behavior. The MEGAPIE design is highly sensitive
against changes of Qmain/Qjet.
In the scope of this experimental study three completely
different flow patterns were identified. A sufficient cooling of the MEGAPIE
design is only ensured if Qmain/Qjet ≤12.5, because
for this configuration the jet covers the whole lower shell. Although for Qmain/Qjet≤12.5
the flow is more unstable compared to the other cases most of the fluctuations
close to the centerline are in the high frequency range (>1Hz), so that they
will not lead to severe temperature fluctuations in the lower shell material.
For these conditions the thermal mixing occurs on large scales and is
excellent. A major temperature equalization is found already in a distance of
105mm above the lowest part of the shell. Thus in this mode the smallest
thermal stresses can be expected.
For flow rate ratios Qmain/Qjet>
12.5 complex flow patterns consisting of several fluid streaks and vortices
were identified. But, for an adequate cooling the MEGAPIE target such flow rate
constellation should be avoided, since the material temperatures close to the
bottom of the shell, where the highest heat load appears, may exceed the
acceptable limit.
All conducted experiments showed a high sensitivity to
asymmetries even far upstream. A direct comparison of the simulation, which
assumed a symmetric flow, was due to the experimentally found asymmetry only
partially possible.
Turbulente thermische
Durchmischung einer flüssigen Schwermetallströmung in einer
Fenster-Target-Geometrie - das .Heated Jet.-Experiment
Zusammenfassung
Das am Paul Scherrer
Institut geplante MEGAPIE Experiment ist ein flüssigmetallgekühltes Spallationstarget,
in dem eine eutektische Blei Wismut Legierung sowohl als Kühlmedium als auch
als Neutronengenerator fungiert. Um eine ausreichende Kühlung des thermisch
hochbelasteten Targets zu gewährleisten, wird die Strömung in angemessener
Weise konditioniert. Hierbei wird die Hauptstr ömung in einem Zylinderspalt
nach unten gepumpt und an einer U-Umlenkung, die sich in der Nähe des
halbkugelförmigen Targets befindet, um 180° in ein Steigrohr umgelenkt. Damit
am untersten Punkt des Strahlfensters keine unzulässig hohen Temperaturen
auftreten, wird durch eine rechteck-förmige Düse eine Jetströmung seitlich auf
diese Region gerichtet.
Diese
Strömungsgeometrie wurde im THEADES Kreislauf des KALLA Labors im Maßstab 1:1 aufgebaut.
Ziel der Experimente ist der Nachweis der Kühlbarkeit der kugelförmigen Kalotte
bei geeigneter Wahl des Durchflussverhältnisses in Haupt- und Jetkanal. Hierzu
ist der untere Bereich des Fensters dicht mit Thermoelementen instrumentiert.
Das Flüssigmetallexperiment wird durch ein ähnlich großes Wasserexperiment, in
dem das Strömungsfeld untersucht wird, unterstützt und von einer dreidimensionalen
numerischen Simulation begleitet.
Zur Ermittlung des
optimalen Arbeitsbereiches des MEGAPIE Designs wurden unterschiedliche Durchflussverhältnisse,
die nahezu den gesamten möglichen Arbeitsbereich umfassen (7.5≤Qmain/Qjet≤22.5),
vermessen und hinsichtlich der Stabilität der entstehenden Strömungsmuster untersucht.
Das sich einstellende Strömungsmuster und die Turbulenzintensitätsverteilung
hängt lediglich vom gewählten Durchflussverhältnis von Haupt- zu Jetstrom ab.
Die Experimente zeigten für alle Durchflussverhältnisse (Qmain/Qjet)
ein zeitabhängiges instabiles Verhalten. Die Geometrie reagiert äußerst
empfindlich auf Änderungen des Durchflussverhältnisses (Qmain/Qjet),
wobei im Rahmen dieser Untersuchungen drei unterschiedliche Strömungsmuster
identifiziert werden konnten.
Zur sicheren,
adäquaten Kühlung des MEGAPIE Designs kommen lediglich Durchflussverh ältnisse
Qmain/Qjet in Frage, für die Qmain/Qjet≤12.5
gilt. Nur bei dieser Konstellation ist der Jet in der Lage, den größten Teil
des halbkugelförmigen unteren Teils des Targets zu erfassen. Obwohl die Strömung
gerade bei diesen Durchflussverhältnissen einen höheren Grad an Instabilität
aufweist, ist dies im Hinblick auf eventuelle Temperaturschwankungen im
Strukturmaterial des MEGAPIE Targets unkritisch, da sich die Fluktuationen im
wesentlichen in einem Frequenzbereich über 1Hz abspielen. Dabei erfolgt
Durchmischung auf großen Skalen und ist am effektivsten. Bereits 105mm über dem
Kugelboden zeigten sich nur noch kleine Temperaturunterschiede. Für diesen
Betriebsmodus sind daher die kleinsten thermischen Spannungen zu erwarten.
Übersteigt das
Durchflussverhältnis den Wert 12.5, entstehen komplizierte Strömungsmuster, die
aus mehreren Teilströmen und Wirbeln bestehen. Im Hinblick auf das MEGAPIE
Experiment sollte dieser Durchflussverhältnisbereich gemieden werden, weil sich
insbesondere am thermisch höchstbelasteten Punkt des halbkugelförmigen Targets
eine Zone mit reduzierter Geschwindigkeit ausbildet, die zu inakzeptabel hohen
Temperaturen führen kann.
Die untersuchte
Strömungsgeometrie weist eine erhebliche Empfindlichkeit bezüglich kleinster, auch
weit stromauf befindlicher, Asymmetrien auf, sodass im Experiment keine
symmetrische Strömung erzielt werden konnte. Ein direkter Vergleich der
Simulation, in der Symmetrie angenommen wurde, mit dem Experiment, in dem sich
immer eine unsymmetrische Temperaturverteilung einstellte, war nur begrenzt
möglich.
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